Маленькая книга о черных дырах - Франс Преториус

Рис. 5.1. Так могла бы выглядеть двойная система типа Cyg X-1, состоящая из звезды и черной дыры.

Звезда может иметь радиус в миллионы километров, в то время как черная дыра, притаившаяся в центре аккреционного диска, самое большее – несколько сотен. Поэтому внутренняя часть диска вокруг самой близкой из возможных устойчивых круговых орбит (где и возникает большая часть рентгеновского излучения) в масштабе этого рисунка показана быть не может. Из внутренних областей диска также может бить струя раскаленного вещества, энергию которого обеспечивает вращение черной дыры.

Есть еще одно, и, может быть, самое убедительное подтверждение предположения, что невидимый компаньон системы Cyg X-1 – черная дыра. Это яркое рентгеновское излучение из окрестностей системы. Хотя видимые звезды тоже излучают некоторое количество рентгеновских фотонов, их далеко не достаточно, чтобы объяснить наблюдаемую рентгеновскую светимость Cyg X-1. Если компаньон – черная дыра, то он расположен достаточно близко к звезде, чтобы захватывать большое количество газа и пыли, переносимых ее звездным ветром. Это вещество обращается вокруг черной дыры в виде толстого аморфного диска. Благодаря вязкости и магнитным эффектам, часть его постоянно мигрирует в направлении черной дыры, пока не достигает самой внутренней устойчивой круговой орбиты (ISCO). Напомним, что в главе 3 уже говорилось, что это ближайшая к черной дыре орбита, на которой любая частица, движущаяся по геодезической, может обращаться вокруг черной дыры, не падая в нее. Для невращающейся шварцшильдовской черной дыры эта орбита находится на утроенном радиусе горизонта событий, но если черная дыра вращается, она может быть и ближе, а в случае вращающейся с максимальной скоростью керровской черной дыры эта орбита практически прилегает вплотную к горизонту событий. После достижения ISCO-орбиты газ быстро падает в черную дыру, которая, таким образом, постоянно подпитывается аккрецией вещества. Диск вокруг черной дыры называется аккреционным. В процессе продолжительной миграции на внутреннюю орбиту газ разогревается – источником энергии для этого служит гравитационная потенциальная энергия, высвобождающаяся по мере приближения газа к черной дыре[12]. Чем ближе газ к черной дыре, тем больше он разогревается, а это означает, что излучаемые им фотоны имеют в среднем более высокие энергии. Самые высокоэнергетические фотоны, следовательно, приходят из окрестностей ISCO-орбиты. Размер этой орбиты связан с массой черной дыры, а это значит, что энергия фотонов, излученных аккреционным диском, несет информацию о размере черной дыры. Для черных дыр с массой в несколько солнечных масс, таких как та, что предположительно находится в системе Cyg X-1, эта энергия соответствует рентгеновскому диапазону. Более того, нерегулярный приток вещества в диск может обусловить изменения яркости рентгеновского потока, называемые квазипериодическими осцилляциями, и самая короткая шкала времени этих осцилляций соответствует орбитальному периоду частиц на ISCO-орбите. Для черных дыр звездной массы эта переменность имеет порядок величины в несколько сотен герц (что соответствует временной шкале в несколько миллисекунд), что и наблюдается в системе Cyg X-1 и многих других рентгеновских двойных системах, где, предположительно, тоже есть черные дыры.

Как ни прост ответ на вопрос, почему компаньон в системе Cyg X-1 является черной дырой (у него слишком большая масса, чтобы он мог ею не быть), этот ответ, как мы уже видели, опирается на длинную цепь теоретических аргументов. Некоторые из них довольно хорошо подтверждаются наблюдениями и экспериментами (звездная эволюция при плотностях ниже ядерных), другие выглядят несколько неопределенно (природа вещества при ядерных плотностях), а один аргумент в высшей степени правдоподобный, но полностью спекулятивный (что не существует массивных, компактных «звезд» из темного вещества, излучающих в рентгеновском диапазоне). Поэтому более консервативным утверждением было бы то, что наблюдаемые свойства рентгеновских двойных больших масс наподобие Cyg X-1 хорошо описываются моделью с черной дырой и что никто пока не предложил альтернативного объяснения свойств таких систем в рамках общепринятых и хорошо проверенных теорий. И до 14 сентября 2015 года это был, пожалуй, самый хороший аргумент в пользу физической реальности черных дыр, какой только можно было придумать. Но в тот день все изменилось: установка LIGO зарегистрировала слияние двух черных дыр. Наука никогда не может дать стопроцентно однозначного толкования явлений такого рода, но наблюдение гравитационных волн от этого слияния с очевидностью лишает силы все негравитационные теоретические аргументы, которые могли бы использоваться для объяснения случая Cyg X-1 (или квазаров, о которых мы собираемся поговорить ниже), и может основываться только на свойствах общей теории относительности в вакууме. Мы более подробно расскажем об этих исторических наблюдениях, результатом которых стало ни больше ни меньше как рождение новой ветви астрономии, в главе 6.

Во Вселенной есть и другая популяция черных дыр, свидетельства существования которой постепенно накапливались с конца 1960-х. Это черные дыры, вначале ассоциировавшиеся с квазарами. Слово «квазар» появилось незадолго до этого. Оно происходит от термина «квазизвездный объект», что в то время просто значило: «мы не знаем, что это такое, – какая-то очень яркая штуковина, похожая на звезду». Сейчас мы считаем, что квазар – это разновидность активного галактического ядра (active galactic nucleus, AGN): небольшой области в центре галактики вокруг огромной черной дыры. Эта область заполнена веществом, которое испускает мощные потоки излучения, вливаясь по спирали в черную дыру. Квазары очень яркие и очень далекие: до них многие миллиарды световых лет. Чтобы представить себе, насколько это далеко, подумайте просто о том, что поперечник нашей Галактики около ста тысяч световых лет, а один световой год – это чуть меньше десяти триллионов километров. Квазар гораздо ярче целой галактики, содержащей миллиарды звезд. Считается, что черные дыры в центрах квазаров имеют массу от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца, поэтому их называют сверхмассивными. Таким образом, можно сказать, что квазары – явление гораздо более грандиозное, чем даже первое зарегистрированное приемником LIGO слияние черных дыр, в результате которого черные дыры с общей массой всего около 65 солнечных выплеснули в ходе своего столкновения энергию, эквивалентную всего-навсего трем солнечным массам. Правда, эта энергия выделилась всего за несколько десятых долей секунды. Вообразите, что могло бы случиться, если бы слились две сверхмассивных черных дыры!